Fast 360-Degree 3D Metrology for Directed Energy Deposition

巨大な金属部品が、ブロックから削り出されたり型に鋳造されたりするのではなく、火と金属粉による3Dプリンターのように、何もないところから一層ずつ積み上げられていく工場を想像してみてください。指向性エネルギー堆積（directed energy deposition）として知られるこのプロセスは、強力なレーザーを使用して金属粉のストリームを溶かし、移動しながらそれらを融合させて固形形状へと成形します。これは、航空機、自動車、医療機器のための複雑なコンポーネントを作成したり、あるいは破損した部品をその場で修理したりすることができる技術です。しかし、このプロセスの性質そのものが、検査を困難にしています。構築されている金属は、しばしば高温で、不均一で、非常に反射率が高く、センサーに対して光を跳ね返してそれらを盲目にさせてしまうのです。もし欠陥（小さな穴、歪んだ層、あるいは弱い部分など）が生じれば、数千ドルの費用がかかり、製作に数日を要する可能性のある部品全体を台無しにしてしまうかもしれません。これを防ぐために、エンジニアたちは、次の金属層が追加される前に、物体が作られている最中にその姿を明確に捉え、表面の完璧な三次元マップを一瞬のうちに取得する方法を必要としています。

長年、これらの光沢のある動く表面を測定するために利用可能なツールは、あまりにも遅すぎるか、あるいは制限されすぎていました。従来の方法の多くは、時間を追って一連の写真を撮る必要がありますが、物体が高速で動いたり形状を変えたりしている場合には不可能です。また、金属の眩しさによって、明るいスポットやデータの欠落が生じた画像しか得られないものもあります。アリゾナ大学とノースウェスタン大学の研究チームは、これらの問題を解決する新しいシステムを開発しました。彼らは、金属部品をあらゆる角度から一瞬でスキャンでき、眩しい反射をフィルタリングして表面の真の形状を明らかにする、高速で多角的な3Dカメラセットアップを作り上げました。最近の研究で詳述された彼らの成果は、人間の髪の毛の幅よりも細かい精度で複雑な金属部品を測定できるシステムを実証しており、ハイテク製造における品質確保への新しい道を示しています。

この新システムの核となるのは、カメラとプロジェクターの巧妙な配置です。単一の視点に頼るのではなく（単一の視点では隠れた角や急な壁を見逃しがちです）、研究者たちは作業エリアの周囲に円状に4台のカメラと3台のプロジェクターを配置しました。これにより、あらゆる側面から一度に物体全体を見ることができます。形状を捉えるために、プロジェクターは金属表面に光の縞模様（ストライプ）を投影します。これらの縞が成長中の金属の凹凸のある表面に当たると、線が曲がり、歪みます。カメラはこれらの歪みを記録し、コンピュータは線のどのように歪んだかを利用して、表面のあらゆる点が正確にどの程度の高さにあるかを計算します。この技術は「フリンジ投影プロフィロメトリ（縞模様投影法）」として知られており、形状を測定するための標準的な手法ですが、研究者たちはこれを金属プリント特有の課題に適応させる必要がありました。

最大の課題は眩しさでした。金属の表面、特に新鮮で熱い状態の表面は鏡のように機能し、カメラのレンズに直接光を反射します。これは、繊細な縞模様のパターンをかき消してしまうほど明るく飽和したスポットを作り出し、それらの領域の測定を不可能にします。これを解決するために、チームは装置に偏光フィルターを追加しました。偏光された光を、垂直な板を持つフェンスを通る水の流れに例えてみましょう。もし、水平な板を持つ二つ目のフェンスを通して光を通そうとすれば、流れは遮られます。研究者たちは、プロジェクターの前に、光を特定の方向に振動させるフィルターを設置しました。そして、カメラの前にも、その同じ方向をブロックするように向きを変えた一致するフィルターを設置しました。光が金属に当たり、直接跳ね返ってくる場合、それは元の振動を維持したままカメラのフィルターによってブロックされます。しかし、金属表面の粗いマットな部分で散乱した光は、振動の方向が乱されます。この散乱した光はカメラのフィルターを通過できるため、システムは眩しい眩しさを無視しながら、金属の真の質感を捉えることができるのです。

研究者たちは、印刷プロセスに追いつくほどシステムを高速化するために、複数の写真を連続して撮るという伝統的な手法から脱却しました。標準的なシステムでは、多くの場合、異なるパターンをいくつか投影し、一連の写真を撮って3Dモデルを構築する必要がありますが、このプロセスは時間がかかりすぎ、物体がわずかに動くだけでエラーが発生するリスクがあります。代わりに、この新しいシステムは、たった一枚の写真から全体の3次元形状を計算できる数学的手法を使用しています。一枚の画像内の光の縞の周波数を分析することで、コンピュータは表面のあらゆる点の深さを即座に決定できます。これは、測定全体が0.5秒未満で行われることを意味し、印刷工程のステップ間にマシンを長時間停止させることなく実行できるほど高速です。

チームは、実際の金属印刷機の中でこのシステムをテストし、風船犬（バルーン・ドッグ）の形をした複雑な部品と、細長い壁を測定しました。風船犬の場合、システムは新しい層が追加されるたびにその高さを捉えることに成功し、700マイクロメートルという微小な変化を検出しました。測定値を高性能な工業用顕微鏡と比較したところ、その差はわずか64マイクロメートルであり、この精度はシステムが部品の成長を確実に追跡できることを証明しています。また、システムは、レーザーが表面を移動した際に残る微細な波紋などの細かいディテールも解像することができ、製造プロセスの微妙なテクスチャをも捉えられることを示しました。

おそらく最も困難なテストは、2つの平行な表面が非常に近くに立っている構造である、細い壁を用いたものでした。従来の3Dスキャニング手法では、このような形状において、ソフトウェアが空間の欠如によって混乱し、2つの壁を一つの平らな表面として統合してしまうことがよくあります。しかし、新しいシステムは、4台のカメラからの視点を組み合わせるスマートなアルゴリズムを使用しました。コンピュータは、あらゆる点において表面がどの方向を向いているかを分析し、最適な視点を選択して、矛盾するデータを破棄しました。これにより、細い壁の真の厚みを保ったまま、その幾何学的形状を再構築することができました。最終的な結果は、精度において55マイクロメートル以内の完全な360度のオブジェクトマップとなりました。

この成果は、金属付加製造（アディティブ・マニュファクチャリング）の分野における重要な進展を意味します。高速なシングルショット・カメラ技術と、眩しさをフィルタリングする方法を組み合わせることで、研究者たちは金属部品が構築されている最中にその品質を監視できるツールを作り上げました。このシステムは単に物体を見ているのではありません。熱、動き、そして通常であれば真実を隠してしまう眩しい反射があるにもかかわらず、物体を「明確に」見ているのです。現在のセットアップでは、測定を行うために層の間で短い一時停止が必要ですが、システムの速度から判断すると、将来のバージョンでは、レーザーが作動している間でもリアルタイムでプロセスを監視できるようになる可能性があります。この能力は、製造業者が重要なコンポーネントを構築する方法を変革し、エラーが発生した瞬間にそれを検知することを可能にし、最終製品が層ごとに完璧であることを保証するものとなるでしょう。